Breve manuale di tecnica digitale per broadcasting TV
© 2004 – ABE Elettronica S.p.A.
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Breve manuale di tecnica digitale per il broadcasting TV Edizione 1-2004 Autore: Roberto Valentin L’Autore ringrazia il team R&S ABE Elettronica SpA per il supporto.
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on l’introduzione della trasmissione televisiva digitale è iniziata una nuova era nel Broadcasting TV. La TV digitale sta rivoluzionando la trasmissione televisiva sia terrestre che via satellite. Gli standard definitivi sono stati attentamente considerati, dibattuti ed ottimizzati attraverso prove sul campo. Le varie piattaforme sono riconosciute negli standard internazionali ITU. I vantaggi della trasmissione TV digitale, rispetto a quella analogica, sia nel caso dei collegamenti a microonde che nel caso della diffusione terrestre, sono notevoli ed evidenti: •
Un maggior numero di programmi a parità di banda RF occupata (tipicamente il quadruplo o più, cioè, in un canale si possono trasmettere 4 o più programmi digitali, al posto di un singolo programma analogico);
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Una minore potenza di emissione necessaria per coprire la medesima distanza (cioè maggiore immunità al rumore ed ai disturbi);
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Una migliore qualità dell’immagine;
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La possibilità di realizzare reti di diffusione terrestre in isofrequenza, cioè di avere più trasmettitori in funzione, che servono zone adiacenti, sulla medesima frequenza, con gli stessi programmi; in pratica si può utilizzare la stessa frequenza su vaste aree, servite da più trasmettitori, senza che essi si disturbino l’un l’altro (trasmissione OFDM con rete SFN - Single Frequency Network);
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La possibilità di ricezione mobile senza le problematiche tipiche dei sistemi analogici, cioè doppie immagini, riflessioni, distorsioni ecc. (trasmissione OFDM);
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La possibilità di trasmettere dati e servizi ausiliari.
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Esempio di struttura di un sistema multiprogramma di trasmissione televisiva digitale
Lo studio di produzione:
Lo studio di produzione televisiva genera più programmi audio/video (nell’ esempio sono 4) che vengono codificati digitalmente secondo lo standard MPEG-2 e multiplexati (cioè aggregati per formare un unico flusso di dati digitali detto Transport Stream). Il Transport Stream modula digitalmente una portante a frequenza intermedia (normalmente a 70MHz), secondo gli schemi QPSK o QAM, che viene poi convertita a microonde e trasmessa alla Stazione di Emissione direttamente (ponte terrestre), o tramite un ripetitore satellitare o terrestre.
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Stazione transmittente: Il segnale ricevuto a microonde viene convertito a Frequenza Intermedia (IF) a 70MHz e quindi demodulato digitalmente, così da riottenere il Transport Stream che contiene i 4 programmi. Il demodulatore può eventualmente anche decodificare i 4 programmi, così da renderli disponibili separatamente, sia in formato analogico che digitale, per eventuali differenti impieghi (ad esempio, per essere diffusi con trasmettitori analogici). Il Transport Stream, a questo punto, modula una portante a frequenza intermedia (normalmente a 36 o 44MHz), secondo gli standard di diffusione digitale terrestre OFDM (DVB-T) o 8VSB (ATSC statunitense), che viene poi trasmessa (convertita nelle bande VHF o UHF, amplificata ed irradiata dall’antenna di trasmissione) per essere ricevuta nell’area di servizio.
L’area di servizio: Il segnale di diffusione digitale viene ricevuto dall’ antenna dell’utente ed inviato all’apposito ricevitore/decodificatore (normalmente det to set-top-box o IRD) connesso poi al televisore (in funzione di monitor).
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La codifica MPEG-2 ed i profili più noti: il 4:2:0 (MP@ML) ed il 4:2:2
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er Per la trasmissione TV digitale serve avere i segnali Video/Audio digitali, cioè generarli digitalmente (telecamere, apparecchiature da studio e regia totalmente digitali) oppure, come attualmente avviene nella maggioranza dei casi, convertire in digitale i segnali analogici disponibili. Il segnale Video/Audio digitale non compresso è un flusso di dati di dimensione notevole (tipicamente avente Bit Rate di 270Mbit/s) per il quale abitualmente si utilizza la interfaccia seriale SDI (connessioni coassiali BNC a 75Ohm – SDI: Serial Digital Interface). È pertanto indispensabile comprimere questi dati, che se trasmessi così come sono occuperebbero una banda RF superiore a quella di un segnale analogico, per formare un flusso di dimensione ragionevole da far transitare sui ponti di collegamento e distribuire all’utenza. La codifica/compressione non dovrà però deteriorare in modo apprezzabile la qualità dei segnali Video/Audio: per questo scopo, lo standard internazionale scelto è l’MPEG-2 (Motion Picture Expert Group versione 2) che è in grado di comprimere un programma TV da 270Mbit/s in soli 5/6 Mbit/sec pur mantenendo ottime caratteristiche qualitative (volendo, anche meno di 4 Mbit/s ma accettando dei compromessi con la qualità) Per codificare/comprimere si utilizzano le seguenti tecniche: •
La percezione visiva umana è più sensibile alla luminanza che alla crominanza: si usano pertanto meno informazioni (bit) per il colore.
•
Nelle immagini vi sono spesso aree con medesimi punti (pixel) di luminanza e colore: nella codifica questi vengono aggregati, trasmettendo meno informazioni.
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Si trasmettono solo le differenze tra una immagine (quadro) e la successiva, per un certo numero di volte (GOP: Group Of Pictures, cioè Gruppo di Immagini) prima di ritrasmettere l’immagine completa. I GOP – Group Of Pictures – sono costituiti da tre diversi tipi di frames (cioè quadri - immagini): •
I-frame: immagine completa (la più grande in termini di informazioni necessarie per essere trasmessa)
•
P-frame: differenze rispetto a I o P-frame precedente (significativamente più piccola rispetto ad un I-frame)
•
B-frame: differenze che tengono conto delle immagini I/P precedente e successiva (la più piccola, ma non può essere replicata consecutivamente troppe volte).
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Figura 1 – La scheda del codificatore MPEG-2 prodotta dall’ABE Elettronica
I GOP normalmente comprendono 1 I-frame + alcuni P ed eventuali B frames; essi non possono essere troppo lunghi, altrimenti un eventuale errore verrebbe ad essere trascinato per un tempo eccessivo e c’è inoltre da tener presente che un decodificatore, per iniziare a decodificare, deve partire da un’immagine completa (I-frame), pertanto deve attendere l’inizio di un GOP. Una delle sequenze più usate ed efficienti è della lunghezza di 12 quadri (frames) con la seguente struttura: IBBPBBPBBPBB. I profili di codifica maggiormente noti sono il 4:2:0 (MP@ML - Main Profile @ Main Level) ed il 4:2:2. Analizziamo proprietà, vantaggi ed impieghi: 4:2:0 – Il video viene codificato con il rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 2 per la crominanza. VANTAGGI: • •
Rapporto di codifica ideale rispetto alla percezione visiva Ottimi risultati anche con bassi bit-rate
IMPIEGHI: • • 6
Broadcasting (profilo usato per la diffusione terrestre e satellitare) Contribuzione / Distribuzione Breve manuale di tecnica digitale per il broadcasting TV
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•
Collegamenti studio / studio tra regie analogiche e digitali
4:2:2 – Il video viene codificato con il rapporto di 4 informazioni per la luminanza e 4 per la crominanza VANTAGGI: •
Limitatamente migliore del 4:2:0 solo con bit-rate > 10Mbit/s
IMPIEGHI: •
Collegamenti studio / studio tra regie digitali
A supporto di quanto asserito in merito ai vantaggi del 4:2:0 sul 4:2:2 sino a 10Mbit/s, si cita la prestigiosa rivista “EBU Technical Review” che nell’edizione dell’autunno 1999 riporta un test comparativo effettuato con bit-rate di 2, 3, 4 e 5 Mbit/s seguendo le raccomandazioni dell’ITU (International Telecommunication Union) dalla Swedish Television (SVT) sulla base della valutazione soggettiva (subjective evaluation) di un gruppo di osservatori, dal quale risulta essere mediamente migliore, a parità di bit-rate, la codifica 4:2:0. Al Kovalick, ingegnere capo della Pinnacle Systems Inc, in un articolo apparso su Broadcastpapers (© 2001-2002) afferma che un filmato codificato 4:2:0 a 10Mbit/s è pari in qualità al medesimo filmato codificato 4:2:2, ma a 13Mbit/s! In base a test effettuati da ABE si sono potuti riscontrare limitatissimi vantaggi con la codifica 4:2:2 solo con bit-rate superiori a 10Mbit/s, mentre al di sotto di detto bit-rate è sicuramente vantaggioso l’uso del 4:2:0, particolarmente se il contenuto di movimento del filmato è elevato. Si noti che apprezzare una differenza qualitativa su filmati codificati ad oltre 10Mbit/s è di per sé estremamente difficile in quanto la qualità è talmente elevata che le differenze sono oggettivamente ardue da rilevare. Il limitato vantaggio del 4:2:2 sul 4:2:0 con bit-rate superiore a 10Mbit/s viene però vanificato se si parte da segnali analogici convertiti in digitale. In conclusione, in base a tutte le considerazioni sopra riportate ed al fatto che è ben difficile avere a disposizione bit-rates di 15/20Mbit/s per un singolo programma, la scelta del profilo di codifica ricade pressoché sempre sul 4:2:0 (MP@ML). Analizziamo ora quali sono alcuni tra i principali settaggi di un codificatore MPEG2 (4:2:0): •
Risoluzione video: Full D1; 3/4 D1; 2/3 D1; 1/2 D1; SIF; QSIF (la scelta sarà in funzione del Bit Rate disponibile e della qualità di codifica richiesta in rapporto alla quantità di movimento delle sequenze).
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Dimensione dell’immagine: sino a 720 x 576 pixel per il PAL e 720 x 480 pixel per l’NTSC (risoluzione più alta = migliore definizione, ma necessita un maggiore Bit Rate).
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Struttura dei Gruppi di Immagini (GOP): numero e sequenza dei quadri I,P e B.
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Bit Rate di codifica: sino a 15MBit/s.
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Bit Rate del Transport Stream di uscita: deve sempre essere uguale o maggiore del Bit Rate di codifica video + audio + tabelle; la differenza tra la sommatoria dei Bit Rate di codifica e quello impostato per il Transport Strem di uscita viene riempita con pacchetti nulli (Bit stuffing).
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Frequenza di campionamento audio (32/44,1/48 KHz) e Bit Rate di codifica: più alta è la frequenza, migliore è la qualità, ma maggiore è la quantità di dati necessari.
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Numero di identificazione dei pacchetti video, audio ed eventualmente dati (PID - Program Identifier): devono essere impostati affinché non coincidano, andando in conflitto tra loro ed eventualmente anche con altri PID con i quali dovranno essere multiplexati.
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Impostazione dei filtri: nel caso di codificatori con entrata video composita possono essere scelti filtri sincroni “comb” o filtri a trappola “notch” (a seconda della qualità del video in entrata) per separare la crominanza dalla luminanza; altri filtri selezionabili servono alla riduzione del rumore (da utilizzarsi specialmente con bassi Bit Rate al fine di evitare di occupare banda per trasmettere rumore al posto del movimento delle sequenze).
Questi sono solo alcuni tra i principali settaggi di un codificatore; nella pratica, ad esempio nel codificatore 4:2:0 prodotto dalla ABE, è possibile modificare circa 200 parametri, tenendo presente che molti di essi sono interdipendenti; per facilitare l’utente, il codificatore ABE ha già predisposte quattro differenti configurazioni di fabbrica ed inoltre può memorizzarne altre quattro predisposte dall’utente. Qualche considerazione ora riguardo i test effettuabili sui Codificatori MPEG-2:
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La qualità della codifica non è facilmente misurabile: abitualmente, si effettuano delle comparazioni con subjective evaluation e/o expertviewing (valutazioni soggettive di gruppi di persone e/o visione di esperti) invece di affidarsi ai pochi strumenti di misura esistenti che possono dare risultati non sempre concordanti con la percezione qualitativa umana.
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A supporto (ma non in sostituzione) del metodo di misura qualitativo scelto, possono anche essere misurate le distorsioni video lineari, non lineari ed il rumore, tenendo conto che molto dipende dalle regolazioni del codificatore, dalla qualità del decodificatore e che la banda passante di luminanza, a seconda dei filtri impiegati, può anche essere limitata a meno di 3MHz. Breve manuale di tecnica digitale per il broadcasting TV
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Il Transport Stream, le interfacce ed il multiplexing
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el Transport Stream (flusso dei dati che contengono il/i programmi video/audio/dati per essere trasportati dalle apparecchiature di generazione/trasmissione all’utenza) i dati hanno bit rate costante e sono organizzati in una sequenza continua di “pacchetti” aventi lunghezza fissa di 188 bytes (204 bytes se con l’aggiunta dei dati per la correzione dei possibili errori “Reed Solomon”). Per mantenere il “flusso” dei pacchetti di dati costante nel tempo, anche quando non vi sono dati utili da trasmettere, sono previsti sistemi di “Bit Stuffing” (generazione di pacchetti validi ma dal contenuto nullo) che verranno successivamente riconosciuti e scartati. Ciascun “pacchetto” è costituito da una testa (header – dimensione standard: 4 byte, salvo casi particolari) che comprende un byte di sincronismo, il PID (Program IDentifier - numero identificatore del programma video o audio o dati cui il pacchetto è riferito) ed ulteriori informazioni, seguito dal “carico pagante” (payload), cioè dai dati del programma vero e proprio” Le interfacce comunemente usate per il Transport Stream sono Synchronous Parallel Interface SPI Interfaccia Parallela Sincrona SPI (Synchronous Parallel Interface) composta da 11 segnali contemporanei: 8 segnali di dati (Parallel Data Path) + 1 segnale di Clock + 1 segnale di sincronismo (Psync) + 1 segnale che identifica i dati validi (DValid); il Bit Rate è variabile (Max 108 Mbit/s sul Data Path) ed il connettore standard è un 25 pin. I livelli elettrici possono essere a bassa tensione e bilanciati (LVDS - Low Voltage Differential Signal) per connessioni esterne corte tra apparati diversi, oppure a bassa tensione e sbilanciati (LVTTL - Low Voltage TTL) per connessioni corte all’interno dello stesso apparato. Asynchronous Serial Interface (ASI) Interfaccia Seriale Asincrona ASI (Asynchronous Serial Interface – la più usata) con Bit Rate costante di 270 Mbit/s e funzionante su una singola linea coassiale sbilanciata da 75 Ohm (connettore standard: BNC). La differenza tra il Bit Rate utile del Transport Stream e 270MBit/s è costituita da Byte di riempimento che vengono scartati nella deserializzazione. Utilizzo : connessione tra apparati diversi, anche a distanza. Il Multiplexer è l’apparecchiatura che aggrega diversi Transport Stream (provenienti, ad esempio, da diversi codificatori) per formare un unico Transport Breve manuale di tecnica digitale per il broadcasting TV
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Stream che li comprende tutti. Oltre a ciò, il Multiplexer (nella funzione di Remultiplexer) può anche modificare i Transport Stream, aggiungere dati, tabelle (ad esempio la NIT – Network Information Table – nella quale si possono editare i nomi dei programmi trasmessi, che poi appariranno all’utenza). Alcune considerazioni, settaggi e test dei Multiplexer:
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•
Il Bit Rate del Transport Stream di uscita deve essere settato in modo da essere maggiore o uguale alla somma dei bit rate netti dei Transport Stream di ingresso + dati + tabelle;
•
I dati/tabelle da inserire e/o modificare possono anche essere parecchi (dati NIT, descrizione della programmazione eventi EIT, ecc.). I Multiplexer ABE, ad esempio, inseriscono anche il TELETEXT che, non facendo parte delle righe attive del video, non può essere codificato dai codificatori MPEG-2;
•
Se vi sono gravi errori nel Transport Stream, i decodificatori non funzionano o danno errori;
•
Alcuni decodificatori necessitano, per funzionare, della presenza nel Transport Stream di dati o tabelle (es.: NIT), che per altri non sono indispensabili;
•
Per una analisi corretta e completa del Transport Stream, vi sono strumenti dedicati in grado di segnalare errori e/o non conformità (gli errori del TS sono classificati con priorità di primo, secondo e terzo livello – si veda la norma ETSI TR 101 290, già ETR 290).
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Le Modulazioni digitali
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tipi di modulazione digitale maggiormente utilizzati nel Broadcasting Televisivo sono: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Modulazione di fase - Usata nel DVB-S (impiego: ponti microonde terrestri, diffusione/contribuzione satellitare). QAM (Quadrature Amplitude Modulation): Modulazione di fase + ampiezza - Usata nel DVB-C (impiego: ponti microonde terrestri, diffusione MMDS e via cavo) OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing): Modulazione composta da piĂš portanti, ugualmente distanziate in frequenza, ciascuna modulata QPSK o QAM Usata nel DVB-T (impiego: diffusione terrestre, ponti microonde mobili/ENG) 8VSB (8 Vestigal Side Band): Modulazione su 8 livelli di ampiezza e banda laterale vestigiale (parzialmente soppressa) - Usata nello standard statunitense ATSC (impiego: diffusione terrestre). Esempi di costellazioni di modulazioni digitali
Rappresentazione delle costellazioni delle possibili posizioni della portante nel diagramma di fase (angolo) / ampiezza (distanza dal centro) per gli schemi di modulazione QPSK e 16QAM. Inumeri a fianco di ogni punto di possibile posizionamento della portante indicano la sequenza dei bit del Transport Stream trasmesso quando la portante assume quella posizione.
In tutte le modulazioni digitali la portante si sposta continuamente in diverse posizioni predefinite di fase e/o ampiezza (simboli), ciascuna delle quali rappresenta una sequenza di bit del Transport Stream che viene trasmesso •
Ad ogni posizione di fase (ed eventualmente di ampiezza) corrispondono 2 bit (modulazione QPSK), 4 bit (modulazione 16 QAM) o 6 bit (modulazione 64 QAM);
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•
Nella modulazione 8VSB, ad ogni posizione di ampiezza della portante corrispondono 3 bit;
•
I bit del Transport Stream vengono pertanto trasmessi a sequenze di 2, 3, 4 o 6 a seconda del tipo di modulazione impiegata;
•
Il Symbol Rate è il numero di differenti posizioni che la portante può assumere nella costellazione nell’unità di tempo (in genere il secondo). La frequenza dei dati (Bit Rate) del flusso di entrata (Transport Stream) dei modulatori digitali dipende dallo schema di modulazione impiegato (QPSK, 8VSB, 16QAM, 64QAM), dalle impostazioni di frequenza di simbolo (Symbol Rate) e dalla quantità di dati che vengono aggiunti dal modulatore stesso, per la correzione dei possibili errori in ricezione (FEC – Forward Error Correction), cioè dal codice di correzione impiegato (Code Rate). Si noti che i modulatori ABE hanno una funzione automatica di adattamento del Transport Stream che può aggiungere pacchetti di dati nulli (null packets – BitStuffing) o, in certe condizioni, rimuoverli. In questo modo il Bit Rate del Transport Stream di entrata viene automaticamente adattato a quello impostato nel modulatore per mezzo del Symbol Rate, del Code Rate ecc.
Figura 2 La scheda del modulatore QPSK (DVB-S) e QAM (DVB-C) prodotta dalla ABE Elettronica
FEC (Forward Error Correction) e criteri di scelta È sicuramente indispensabile, quando si trasmettono dei dati a più utenti contemporaneamente, includere, insieme ai dati utili (dei programmi) degli ulteriori dati che, nel caso la ricezione risultasse disturbata, siano in grado di correggere, ovviamente sino ad un certo limite, gli errori. 12
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Tutte le modulazioni digitali per il Broadcasting TV impiegano il sistema di codifica per la correzione di errore “RS” (Reed Solomon) che normalmente aggiunge 16 Byte di dati per ogni pacchetto del Transport Stream, portandolo da 188 a 204 Byte. Con questo sistema si possono correggere sino a 8 errori non consecutivi in un pacchetto; in pratica è garantita la correzione con errori, prima della decodifica RS, di un BER di 2*10-4 (BER – Bit Error Rate – cioè tasso di errore nei dati). Il sistema di correzione RS non è però ritenuto sufficiente per alcuni standard (ad esempio DVB-S e DVB-T); viene pertanto aggiunto un altro sistema di correzione molto potente detto “Inner Coder”, che aggiunge ulteriori dati di correzione: ad esempio 1 bit di correzione ogni 7 bit di dati (Code Rate 7/8), oppure 1 bit di correzione ogni 2 bit di dati (Code Rate 2/3) ecc. Code Rate bassi (es. 7/8) corrispondono a limitate possibilità di FEC (Forward Error Correction), cioè di correggere successivamente (nel ricevitore) eventuali errori nei dati. Code Rate elevati (es. 1/2) corrispondono a maggiori possibilità di FEC. La differenza è nel rapporto segnale/rumore o segnale/disturbo. Per esempio: con un code rate di 1/2 si avranno circa 4 dB in più di margine di segnale rispetto ad un code rate di 7/8; avremo però meno bit rate disponibile per i dati Esempio per code rate 7/8
Bit Rate del T. S. di entrata = Symbol Rate x 2 : 8 x 7 : 204 x 188 per modulazione QPSK (2 bit per Simbolo)
Per codifica REED SOLOMON
Nella tabella in pagina, un esempio di calcolo del Bit Rate del Transport Stream di entrata di un modulatore QPSK (DVB-S) La banda RF impegnata La banda a radiofrequenza occupata da una portante modulata digitalmente, dipende essenzialmente da due fattori: il Symbol Rate trasmesso ed il filtraggio (Roll-off factor / Shaping). Nelle modulazioni QPSK e QAM la banda impegnata in MHz è esattamente pari al Symbol Rate in MS/s + il Roll-off in % Ad esempio, nella modulazione QAM secondo lo standard DVB-C (15% di Rolloff), per trasmettere 6MS/s si occuperanno 6MHz + 15% = 6,9MHz.
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I ponti microonde TV digitali: I vantaggi, le caratteristiche, le differenze e la conversione dei ponti analogici esistenti
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ponti microonde TV digitali presentano significativi vantaggi rispetto a quelli analogici; peraltro, la maggior parte dei ponti microonde analogici ABE prodotti negli ultimi anni possono essere facilmente modificati per l’utilizzo digitale con modulazione QPSK Vediamo ora le principali differenze ed analizziamo le possibili modifiche. Modulatore IF Il modulatore IF analogico a 70MHz deve essere sostituito da un modulatore digitale QPSK (o QAM) che abbia la stessa IF a 70MHz e livelli di uscita e di impedenza compatibili (ad es. la serie DME1000 che viene equipaggiata anche con uno o più codificatori MPEG-2 e Multiplexer). Banda IF/RF – capacità di informazione Con riferimento alla maschera di emissione standard dei ponti analogici, il modulatore digitale può essere configurato per un Symbol Rate sino a circa 15MS/s. Usando 15MS/s e un Code Rate di 7/8 il Bit Rate del Transport Stream di entrata al modulatore QPSK è di 24Mb/s: sufficiente per contenere 4 programmi video, ciascuno con doppio audio di ottima qualità broadcast (circa 6Mb/s per ciascun programma TV). È possibile usare Symbol Rates più elevati, che sono accettabili per il ponte, ma la banda occupata sarà maggiore. Usando invece Symbol Rates più bassi è possibile occupare bande inferiori (ad es. 7MHz), ovviamente con capacità di contenere meno programmi; se però si decide di usare uno schema di modulazione QAM (ad esempio 16QAM) si possono trasmettere in soli 7MHz di banda, sino a 22Mb/s. Ovviamente la modulazione 16 QAM è più “delicata” della QPSK e necessita di una maggior linearità negli stadi di conversione e amplificazione del ponte a microonde, di un miglior rumore di fase degli oscillatori locali, di un miglior rapporto Segnale/Disturbo in ricezione e minori distorsioni lineari sulla tratta (ampiezza/frequenza, ritardo di gruppo, percorsi multipli/fading selettivo ecc.). Nella eventuale scelta, è pertanto da tener presente che, in mancanza di specifiche restrittive sull’occupazione di banda, è sicuramente preferibile l’utilizzo della modulazione QPSK. Linearità di ampiezza / fase I ponti microonde analogici impiegano normalmente amplificatori saturati e limitatori. Le modulazioni digitali (e specialmente le QAM) richiedono amplificazioni lineari senza saturazioni o limitazioni.
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La modulazione QPSK è tra le modulazioni digitali meno sensibili ai problemi di linearità; per il suo utilizzo è consigliabile usare gli amplificatori ad una potenza di 3dB inferiore rispetto alla saturazione ed impiegare dei controlli automatici di guadagno al posto dei limitatori. Nonostante ciò, utilizzando modulatori digitali QPSK con ponti analogici standard che impiegano amplificatori saturati e limitatori, il risultato è accettabile anche se le “spalle” dello spettro RF di uscita sono elevate sulle frequenze immediatamente adiacenti la banda di emissione (questo è l’effetto della non linearità di amplificazione). Rumore di fase degli oscillatori locali – stabilità di frequenza Nella normalità dei casi le prestazioni degli oscillatori locali standard utilizzati nei ponti analogici ABE sono sufficienti per l’utilizzo digitale con modulazione QPSK. Demodulatore IF Il demodulatore IF analogico a 70MHz deve essere sostituito con un adeguato demodulatore digitale QPSK o QAM, abitualmente chiamato IRD (Integrated Receiver Decoder cioè Ricevitore – Decodificatore Integrato). Il ricevitore digitale dovrà poi disporre di sistemi di equalizzazione adattativa, o comunque di contromisure per correggere i problemi generati dal “fading selettivo” che, a differenza del “fading piatto”, crea dei “buchi” nella banda RF che normalmente non causano significativi problemi ai ponti analogici, ma possono rendere non demodulabile il segnale digitale, anche in presenza di un livello di ricezione elevato. Raffronto fra ponti microonde analogici e digitali
Comparazione delle prestazioni tra ponti TV analogici e digitali In un ponte TV analogico a modulazione di frequenza, quando il segnale di entrata nel ricevitore scende sotto una certa soglia, la qualità di uscita dei segnali video e audio si deteriora progressivamente. In pratica, il minimo segnale accettabile in condizione di “fading” è di circa -70dBm. 16
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Per contro (si veda il diagramma) la qualità dell’uscita di un ponte digitale non degrada con il ridursi del segnale di entrata nel ricevitore sino ad una soglia (normalmente intorno ai -90dBm) oltre la quale il segnale sparisce. L’esatto valore di soglia dipende da diversi fattori, tra cui il Code Rate, il Symbol Rate, la cifra di rumore del ricevitore, ecc. Riepilogando, l’implementazione del digitale sui ponti microonde porta notevoli vantaggi. • • •
Un singolo ponte, occupando un singolo canale, può essere utilizzato per trasportare quattro (o più) programmi video / audio; Le prestazioni del ponte non degradano progressivamente con la riduzione del segnale ricevuto ma rimangono costanti sino ad una soglia molto bassa; In pratica – cosa realmente considerevole – il livello di soglia minimo di ricezione si sposta (abbassandosi) di circa 20dB, consentendo al ponte di mantenere elevate prestazioni con un maggiore margine di fading o di usare potenza RF più bassa oppure antenne più piccole per coprire la medesima tratta.
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I trasmettitori di diffusione terrestre TV digitali: I vantaggi, le caratteristiche, le misure e la conversione dei trasmettitori analogici esistenti
L
a ABE Elettronica ha prodotto e fornito, nel corso di 25 anni, molte migliaia di trasmettitori televisivi ad emittenti di tutto il mondo. Anche quando i trasmettitori ABE non sono forniti “digitali”, grazie a tutti i miglioramenti introdotti con lo sviluppo delle tecnologie per il digitale, essi sono comunque “pronti per il digitale”, cioè pronti per essere trasformati, con il minimo impatto economico e tecnico, in trasmettitori digitali Vediamo ora le principali differenze ed analizziamo le possibili modifiche.
Modulatore IF Il modulatore IF analogico a 36 o 44MHz (di centro banda) viene sostituito da un modulatore digitale OFDM o 8VSB che abbia la stessa IF e livelli di uscita e di impedenza compatibili (ad es. la serie DME1000 che viene equipaggiata anche con uno o più codificatori MPEG-2 e Multiplexer). Banda IF/RF – capacità di informazione – considerazioni sui settaggi – l’intervallo di guardia L’occupazione di banda (canale) è esattamente la medesima dei trasmettitori analogici, cioè, 6/7 o 8MHz. Il Bit Rate del Transport Stream di entrata al modulatore è fisso, nel caso del trasmettitore 8VSB (19.28Mb/s), o dipende dalle impostazioni di larghezza di banda (6/7 o 8MHz), dallo schema di modulazione (QPSK, 16 o 64QAM), dal Code Rate (da1/2 a 7/8) e dall’intervallo di guardia (da1/4 a1/32),nel caso del trasmettitore OFDM (Standard DVB-T) e può variare da circa 4 sino a quasi 32Mb/s. Considerando che nel caso di una applicazione standard si hanno tipicamente a disposizione da 19 a 24Mb/s, si possono trasmettere 4 programmi video, ciascuno con doppio audio di ottima qualità broadcast (circa 5 - 6Mb/s per ciascun programma TV). Ovviamente, gli schemi di modulazione più complessi (64QAM) ed i Code Rate più alti (7/8) consentono di trasmettere più dati (cioè più programmi – bit rate più elevato) ma la trasmissione risulta essere più “delicata” ,cioè necessita di una maggiore linearità negli stadi di conversione e amplificazione del trasmettitore, di un miglior rumore di fase degli oscillatori locali, di un miglior rapporto Segnale/Disturbo in ricezione e minori distorsioni lineari sulla tratta (ampiezza/frequenza, ritardo di gruppo, percorsi multipli/fading selettivo ecc.). Nella eventuale scelta, è pertanto da tener presente che, in mancanza di necessità di trasmettere parecchi programmi, è sicuramente preferibile l’utilizzo
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della modulazione QPSK con bassi Code Rate, che risultano essere particolarmente validi anche per la ricezione mobile. L’intervallo di guardia (disponibile per la sola trasmissione OFDM) è il tempo durante il quale il trasmettitore non emette alcun segnale essenziale, dopo la trasmissione di ogni simbolo, per consentire agli echi (riflessioni del segnale emesso, ovvero segnali di altre emissioni isofrequenza dello stesso network che giungono al ricevitore con un certo ritardo) di spegnersi, prima di trasmettere il simbolo successivo, di modo che i ricevitori non vengano disturbati dal possibile “accavallamento” dei simboli, che potrebbe rendere il segnale ricevuto non demodulabile, ancorché di livello sufficiente o buono. Ovviamente, più lungo è l’intervallo di guardia, più alti sono i tempi di spegnimento degli echi tollerati, ma più bassa è la quantità di dati che possono essere trasmessi (bit-rate – numero e/o qualità dei programmi). L’intervallo di guardia può essere regolato da pochi microsecondi ad oltre 200 microsecondi, cioè può essere regolato affinché il sistema possa tollerare riflessioni/segnali con differenza di percorsi da pochi chilometri sino a circa 70Km. Nel caso la scelta della IFFT sia 2K (modulazione OFDM con 1705 portanti), essendo il Symbol Rate più elevato rispetto alla 8K (6817 portanti), i possibili intervalli di guardia sono di durata minore, essendo essi sempre espressi come frazione della durata del tempo di simbolo (1/4; 1/8; 1/16; 1/32). Spettro di uscita, prima del filtro, di un trasmettitore OFDM (DVB-T)
Gli amplificatori di potenza: linearità di ampiezza e fase – misura della potenza RF e spettro di uscita 20
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Le modulazioni digitali (e specialmente la OFDM) richiedono amplificazioni estremamente lineari. Gli amplificatori di potenza dei trasmettitori ABE sono realizzati con tecnologia a stato solido ad elevata efficienza e linearità, grazie all’impiego di MOSFET e LDMOS delle più recenti generazioni, unitamente ad adeguate tecniche di precorrezione. Maschera richiesta per lo spettro di uscita di un trasmettitore TV OFDM operante da postazione con trasmettitori analogici sui canali adiacenti (la maschera viene normalmente rispettata con l’utilizzo di un appropriato filtro all’uscita del trasmettitore).
La potenza di uscita, con le modulazioni digitali, viene definita e misurata come potenza “termica” (per la misura devono essere impiegati wattmetri specifici o termici; in caso contrario gli errori di misura potrebbero essere macroscopici) ed il rapporto tra la potenza termica e quella di picco (PAR: Peak to Average power Ratio) è notevole (circa 8dB per la modulazione 8VSB e 15/17dB per la OFDM che
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può essere limitato sino a circa 10dB, a scapito però di altri parametri qualitativi – ad esempio il MER – Modulation Error Ratio). Per queste ragioni, la potenza nominale “analogica” degli amplificatori (potenza di picco video con amplificazione delle portanti video e audio combinata) deve essere ridotta di una percentuale che abitualmente è compresa tra il 50 ed il 75% (-3/-6dB). Le specifiche dello spettro di uscita RF dei trasmettitori digitali sono generalmente più severe rispetto a quelle richieste per i trasmettitori analogici; pertanto è necessario utilizzare un filtraggio di uscita adeguato (normalmente un filtro a 6 cavità). Grafico del rumore di fase di un oscillatore sintetizzato ABE (traccia inferiore – verde) rispetto al limite proposto dal VALIDATE work group – AC106 (traccia superiore – rossa).
Rumore di fase degli oscillatori locali – stabilità di frequenza Per l’impiego digitale, il rumore di fase degli oscillatori locali di conversione deve essere molto basso e, in ogni caso, decisamente inferiore a quanto richiesto per la trasmissione televisiva analogica. La ABE ha sviluppato, per la trasmissione digitale, una serie di oscillatori sintetizzati dalle prestazioni eccellenti e con costi contenuti, che vengono ora impiegati anche nei trasmettitori analogici. Si tenga presente che, soprattutto per la trasmissione delle modulazioni OFDM (sino a 6817 portanti) il rumore di fase dell’oscillatore di conversione viene sommato, nel canale di emissione, 6817 volte! 22
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È di tutta evidenza l’importanza di un basso rumore di fase, che, altrimenti, causerebbe il degrado dei parametri qualitativi di trasmissione (in primis il MER – Modulation Error Ratio). La precisione/stabilità di frequenza (che per le applicazioni normali è richiesta essere di 500Hz) è un parametro che assume una importanza vitale, nel caso della trasmissione OFDM in SFN (Single Frequency Network – cioè rete con una singola frequenza). In questo caso, tutti i trasmettitori devono essere sincronizzati ad un unico riferimento di frequenza, per il quale è stato scelto il GPS. La ABE ha sviluppato, a questo proposito, un riferimento di frequenza ad alta stabilità, disciplinato da un ricevitore GPS. Le principali misure di un trasmettitore televisivo digitale – il MER. Precisione e stabilità di frequenza, Spettro RF e Potenza di uscita Di queste misure si è già parlato nei paragrafi precedenti. I parametri precisi e le maschere si possono ottenere consultando le norme specifiche (per il DVB-T le norme ETSI TR 101 290 – già ETR 290 – e EN 300 744, scaricabili dal sito www.etsi.org; per l’ATSC le norme A/64A, A/53B e A/54A, scaricabili dal sito www.atsc.org). MER Il Modulation Error Ratio, cioè rapporto di errore di modulazione, può essere, a ragion veduta, considerato il parametro qualitativo principale di un trasmettitore digitale (un po’ come l’intermodulazione per un trasmettitore analogico). In pratica il MER, che viene espresso in dB, è in funzione del rapporto tra il vettore di posizione teorica di un simbolo ed il vettore di spostamento del simbolo effettivo dalla sua posizione teorica; il tutto mediato per un certo numero di simboli. In altre parole, il simbolo, nella costellazione, dovrebbe trovarsi in un certo punto, ma a causa, ad esempio, del rumore dell’oscillatore locale e della compressione dell’amplificatore di potenza, si trova leggermente spostato. Il MER è in funzione del rapporto tra il vettore che va dal centro della costellazione alla posizione ideale del simbolo, ed il vettore che va dalla posizione ideale a quella effettiva del simbolo, il tutto mediato per un certo numero di volte. In altri termini, ci dice quanto è precisa la costellazione generata dal nostro trasmettitore. Più il valore del MER è elevato e più precisa è la costellazione generata, meno errori faranno quindi i ricevitori nel demodularla. Per dare dei parametri concreti si consideri che per demodulare una QPSK il MER non può essere inferiore a circa 5dB; per una 16QAM, 11dB e per una 64QAM, 19dB.
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Si consideri inoltre che un ricevitore commerciale è difficilmente in grado di trarre vantaggi da MER superiori a 30dB; pertanto una ragionevole richiesta di MER, all’uscita del trasmettitore digitale, per una emissione OFDM/64QAM, può essere di 30/32dB. Comparazione delle prestazioni tra trasmettitori TV analogici e digitali Con un trasmettitore TV terrestre analogico a modulazione di ampiezza, quando il segnale di entrata nel televisore scende sotto una certa soglia, la qualità dell’immagine e dell’audio si deteriorano. In pratica, il minimo segnale accettabile è di circa 0,5/1mV. Per contro, la qualità dell’immagine e dell’audio di un ricevitore digitale non degradano con il ridursi del segnale di entrata, sino ad una soglia (normalmente di circa 20dB inferiore al livello analogico) oltre la quale il segnale sparisce. L’esatto valore di soglia dipende da diversi fattori, tra cui lo schema di modulazione, il Code Rate, la cifra di rumore del ricevitore, ecc. Riepilogando, anche con quanto illustrato precedentemente, l’implementazione della diffusione terrestre digitale porta notevoli vantaggi:
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•
un singolo trasmettitore, occupando un singolo canale, può essere utilizzato per diffondere quattro (o più) programmi video/audio/dati;
•
la qualità della ricezione è superiore e non degrada progressivamente con la riduzione del segnale ricevuto ma rimane costante sino ad una soglia molto bassa (circa 20dB meno di quanto necessario per una buona ricezione analogica). È pertanto possibile irradiare una potenza RF inferiore, od utilizzare antenne più piccole per coprire la medesima area;
•
con l’impiego dello standard DVB-T è anche possibile la ricezione mobile senza le problematiche tipiche dei sistemi analogici, cioè doppie immagini, riflessioni, distorsioni ecc., e la realizzazione di reti di diffusione terrestre in isofrequenza.
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